JPH04504019A - 光ファイバをセンサとして使用するための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバをセンサとして使用するための方法光フアイバセンサ技術は、市場規 模が、この１０年間に著しく拡大するであろうと予測されてきた分野である。し かしながら、この市場の拡大は、当初予測されたペースには未だに達していない 、これは、主として、センサにおいて、およびセンサを行き来する伝送において 、センサ情報を周囲の環境からの変動する影響から分離することが困難であるこ とによる。別の理由は、最高の感度を存する単一モードの技術が複雑であり、し かも使用されるコンポーネントが非常に高い精度をもつことが要求されるという ことである。他方、多モードの技術はより単純なデザインを可能とし、さらに、 より丈夫なコンポーネントを使用する。それによって、光フアイバセンサのコス トに関し、経済的に関心が払われるようになるようなレベルに達することが可能 である。しかしながら、多モードの技術は、主として、これまでこの技術によっ て達成されてきたより低い感度により、未だに飛躍的な前進を遂げていない０通 常の多モードの技術は、もちろん、多モード光ファイバのコア内を伝送される光 の強度変調の原理に基づいている。この技術は、単一モードの技術が基礎をお（ 位相感知検出より低い感度しか達成できない。

光フアイバセンサは、本質的に、非ガルバニックな構成により、例えば、ＥＭＰ 、ＥＭＣ等に対する非感受性に起因する、潜在的に非常に大きな長所を有してい る。達成され得る感度は、他のタイプのセンサによって達成されるものと同程度 か、あるいはそれ以上のものである。光フアイバセンサ技術の、別の興味ある特 徴は、同一の光フアイバケーブルに沿って、いくつかのセンサを多重化でき、そ して、例えば、大きな監視領域をカバーし得るセンサシステムを実現することが 可能なことである。システムのセンサは、圧力および磁気等のいくつかの物理量 に対して敏感なように構成され得る。

大きな計画的な効果がこれによって達成され得る。この目的を達成するために、 センサは、丈夫でかつ信転性を有する機能を発揮し、従来の技術におけるものと 比較して合理的なコストで、センサが実現されるようなセンサ技術に基づいてい なければならない。

本発明は、光ファイバをセンサとして使用するための方法に関するものである。

検出は、位相感知であり、単一モード光ファイバおよび多モード光ファイバの両 方に適用可能である０本発明は、請求の範囲の請求項１に記載した構成によって 、上記の問題を解決するものである。

以下において、本発明を、添付図面を参照してより詳細に説明する。

図１は、レーザー、光ファイバ、およびファイバ内をいくつかのモードで伝播す る光、並びにファイバの一端の後方の干渉パターンを示す図である。

図２は、本発明による干渉検出器を示す図である。

図３は、本発明による第１のセンサシステムを示す図である。

図４は、本発明による第２のセンサシステムを示す図である。

図５は、本発明による第３のセンサシステムを示す図である。

図６は、図５のセンサ回路の２つの変形例を示す図である。

図７は、本発明による第４のセンサシステムを示す図である。

本発明によるセンサシステムは、光フアイバ中を伝送される光の位相状態の変化 を検出することに基礎をおいている。これは、光の効果または強度の変化を測定 する場合より敏感な、光ファイバの機械的な影響を検出する方法である。光ファ イバに対する機械的な影響は、例えば、音波または磁場の量を測定に役立つよう に翻訳され得る。センサシステムは、環境パラメータからの外的影響に敏感でな いことが重要である。これらの外的影響は、関心のある測定量に対するノイズレ ベルを増大させうる。この問題の解決法として、いくつかの光フアイバセンサを 多重化することにか、特に適切である。

本発明による解決法は、とりわけ、環境に起因する光フアイバ内の変化が、フィ ルタによって除去され、測定量によって引き起こされる重要な変化のみが、セン サまたはセンサシステムによって表示されるような原理に基づくものである。こ の原理を以下に説明する。

単一モード光ファイバにおいて、ファイバのカットオフ波長を趨える波長を有す る光のただ１つのモードが存在する。単一モードファイバ中を伝送されるより短 い波長の光は、いくつか゛のモードで伝播する。単一モードファイバは、そのと き、多モードファイバとして機能する。

多モードファイバにおいて、入射光のファイバに対する入射角による、多くの伝 播方向が存在する。これらの伝播方向は、モードと呼ばれる。もし、図１に示し たように、レーザ１からのコヒーレントな光がファイバ２中を伝送され、照射光 が、例えば白紙を照明するならば、干渉パターン３が紙上に現れる。このパター ンは、通常、斑点状パターンと呼ばれている。このパターンは、多モードファイ バの異なるモードの再生結合または非再生結合によって生ぜしめられる。この干 渉パターンは、相対的な位相関係がファイバに対する外的影響によって変化する とき、該影響に非常に敏感であり、よって、干渉パターンの運動が生じる。もし 、この運動が検出され得るならば、ファイバに対する影響を検出する極めて正確 な方法が達成される。光に対するコヒーレント長は、最高モードおよび最低モー ドの間の距離の差より長くなっていなければならない。

このパターンを検出するための１つの方法は、例えば、強度が最大となる固定位 置にフォトダイオードを配置し、強度変化を測定することである。この方法の欠 点は、一定時間内に一様に照射を行わない照射モード間のランダムな位相差によ って、パターンが弱められることである。この問題を解決するための方法を以下 に説明する。

位相関係は、例えばレーザーダイオードの変調、光源の温度変化、光ファイバに 沿った温度変化、または光フアイバ中のモードのランダムな分布、または連結点 によって引き起こされる、光源のスペクトル特性の変化によって変化し得る。こ のような望ましくない位相の変化は、偏光のすべての方向において、光に対して 一様な影響を及ぼすが、これは、センサエリア内の外的な影響によって引き起こ される位相変化の場合にはあてはまらない。

こうして、光ファイバの一端から照射される光は、図２に示すように、ビームス ブリフタ４によって２本のビームに分離される。各ビームは、ファイバ中の伝送 によって発生する完全な干渉パターンを含んでいる。必ずしも必要ではないが、 ビームを、概して等しい強度をもった２本のビームに分離することが適切である 。そのとき、２本のビームは、２つの偏光子５および６によって、異なる方向に 平面偏光する。必ずしも必要ではないが、実質上互いに直交する２つの方向を選 択することが適切である０本発明の好ましい実施例では、２本のビームが、検出 器７および８によって、それぞれ独立に検出され、振幅の差が、差動増幅器９に おいて比較される。差動増幅器９から生じるシグナルが、外的影響の測定を与え る。

差のシグナルを形成する代わりに、別のタイプのシグナル処理装置９°において 、所望の量の測定を与える別のタイプのシグナルを形成することが可能である。

すなわち、２つのシグナル間の商の差を検出することが可能であり、また、それ らの間の周波数分布の変化を検出することが可能ある。

本発明によるセンサシステムにおいては、いくかのセンサ１２、または１２およ び１３を使用することが可能である。そのとき、光が、光ファイバからなる配線 ケーブル１０を通じて、短いパルスで伝送される。配線ケーブルに沿って、セン サが分配される。光のパルスは、第１の光学的接続によって、配線ケーブルから センサに接続される。このとき、レーザーパルスの効果の一定量がセンサに接続 され、残りは別のセンサへと通過せしめられる。別の光学的接続によって、光パ ルスは、センサから、光ファイバからなる１本またはそれ以上の返送ケーブル１ １に接続される。返送ケーブル内において、異なるセンサからの光のパルスが、 時間多重化される。１本またはそれ以上の返送ケーブルから、光が、シグナル処 理装置９．９＠に伝送される。シグナル処理装置は、各ビームの振幅および／ま たは周波数の内容を検出し、これから、それらの振幅または周波数の関係の測定 を与えるシグナルを形成する。このシグナルは、順次、センサエリア内の外的影 響の測定を与える。結果は、表示装置に表示される。

もし、ケーブルに対するすべての影響が特定のセンサエリアで発生し、配線ケー ブルおよび返送ケーブルにおける残りの光ファイバが、全く乱されることがなく 、位相感知検出の著しい感受性を考慮することが非常に困難であるならば、その とき、センサ内において、１つのセンサエリア１２で十分となる。実際、これは 容易ではなく、とりわけ、配線ケーブルおよび返送ケーブルを、外的影響から、 良好な結果に達するために必要な程度にまで保護することを強要されることを誰 も望んでいない。したがって、センサファイバからなる１つのセンサエリア１２ 、並びによく保護された１つの参照ファイバ１３を備えたセンサが、しばしば設 計される。センサをこのように設計することによって、所定の時刻にセンサエリ アからのシグナルの位置で、参照シグナルを取り出し、それと比較することによ って、センサファイバ中の変化をフィルターで取り除くことができる。

本発明の第１の変形例では、センサファイバ１２および参照ファイバ１３を備え たセンサが、光のパルスが伝送される光ファイバのリングとして形成される。光 は、まず最初、参照ファイバの半円部１３を通過し、その後、光の一部が検出器 まで伝送される。光の残りは、リング内を回って進み、センサファイバ１２を通 過した後、再び参照ファイバを通過し、そのうちの一部が再び検出器まで伝送さ れる。これが繰り返され、シグナルの振幅はしだいに減少する。

このとき、最初のシグナルが純粋な参照シグナルとなる。

システムを実現する少なくとも２つの方法が考えられる。図３に示した第１のシ ステムにおいて、干渉検出器１４が、各検出器の後ろに配置される。検出器１４ からの２つの異なる偏光方向における光は、独立な光ファイバ１１を通じて共通 のシグナル処理装置Ｆ９．９°に接続される。最後に、デマルチプレクスが、デ マルチプレクサ１５内で実行され、異なるセンサからの光が分離される。

図４に示した第２のシステムは、概して、第１のシステムと同様である。しかし ながら、受信側においていくぶん異なっている。すなわち、各センサ１２．１３ からの光は、いくつかのセンサが存在するときは時間多重化されて、同一の光フ ァイバ１１によって、共通の干渉検出器１４まで伝送される。そして、第１のシ ステムにおけるのと同様にして、検出器１４からの光は、シグナル処理装置９． ９″およびデマルチプレクサ１５によって処理される。

本発明の別の変形例では、上述のセンサリングを使用する代わりに、平行に連結 された２本の隣接する光ファイバを使用することができる。この場合、一方のフ ァイバは参照ファイバ１３であり、他方のファイバはセンサファイバ１２である 。これを、図５に示した。

シグナルが、センサ中を周回しないとき、１つの参照シグナルおよび１つのセン サシグナルが得られる。他の点では、このシステムは、前に説明した２つの場合 と、ちょうど同じように構成されうる。さらに、実際は、センサリングを使用し た場合においても、１つの参照シグナルおよび１つのセンサシグナルを考慮する だけでよい。

図６は、図５のセンサ接続の変形例を示したものであり、減速として図５に示し たものと同様の状況を与える。しかしながら、多くの長所を有するシステムが、 この方法を用いて実現されうる。

いくつかの応用分野において、特に、上記の平行に接続されたセンサファイバ１ ２および参照ファイバ１３を用いた場合、１つのセンサからの参照シグナルおよ びセンサシグナルの間の時°量関係を調節するために、予め決定される長さの伝 送ラインの形で、よく定義された遅延を導入する必要がある。

異なるモード間の干渉が、センサに集中するようなシステムを設計することが可 能である。配線および返送ファイバ１０．１１として、システムの現在の光の波 長より短いカットオフ波長を有する単一モードファイバを使用し、光が、ファイ バ中を１つのモードで伝送されるようにする場合には、異なるモード間での干渉 は生じない。

そのとき、センサ部およびそれに属する接続に対して、システム中の光がそれよ り短い波長をもつようなカットオフ波長を有する、多モードファイバまたは単一 モードファイバが使用され、よって、光はいくつかのモードで伝送される。この 解決法は、おそらく、図３に示したシステムにおいて最も有効である。

図７は、配線および返送ファイバ１Ｏ１１１として単一モードで作動する単一モ ードファイバ、およびセンサファイバ１２として多モードで作動するファイバを 有するシステムを示したものである。

国際調査報告 ｌｌｌ−１１１１艶１ムー１．電１．Ｎ１　灯／ＳＥ　９０／Ｇｏｏ％国際調査 報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバが、例えば圧力または磁場等の、前記光ファイバに対する測定 されるべき外的影響が前記光ファイバに自由に影響しうるセンサエリア１２を有 するべく形成され、コヒーレントな光が、前記センサエリアを通じていくつかの モードで伝送され、受信側で、前記光が、検出器１４において２本のビームに分 離され、前記２本のビームは、それぞれ前記光ファイバ中の伝送によって発生し た完全な干渉パターンを含んでおり、前記各ビームが、２つの異なる方向に平面 偏光し、シグナル処理装置９、９°へ伝送され、前記シグナル処理装置９、９° は、前記各ビームの振幅および／または周波数の内容を検出し、これからそれら の振幅および／または周波数の関係の測定を与えるシグナルを形成し、前記測定 は、順次、前記センサエリア１２内の外的影響の測定を与えることを特徴とする 光ファイバをセンサとして使用するための方法。
2. （２）前記光が、概して同じ強度を有する前記２本のビームに分離されることを 特徴とする請求項１に記載の方法。
3. （３）前記各ビームが、概して垂直な２つの方向に平面偏光することを特徴とす る請求項１または請求項２に記載の方法。
4. （４）前記光が、光ファイバからなる配線ケーブル１０に沿って、短いパルスで 伝送され、第１の光学的接続によって前記配線ケーブルに沿って、多数のセンサ １２、１３に接続され、前記各センサは前記センサエリア１２を有しており、前 記センサからの光が、第２の光学的接続によって光ファイバからなる１本または それ以上の返送ケーブル１１に接続され、前記返送ファイバ中において前記光の パルスが波長多重化されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項 に記載の方法。
5. （５）前記各センサが、隣接する２本の光ファイバとして形成され、前記光ファ イバの内の一方が参照ファイバ１３を、他方がセンサファイバ１２を形成してい ることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. （６）前記各センサが光ファイバのリングとして形成され、前記リング内を光が 伝送され、前記リングは、前記光が最初に伝送される参照ファイバの半円部１３ と、前記光が前記参照ファイバの半円部１３から前記検出器１４へ伝送されるセ ンサファイバの半円部１２とを有し、前記検出器に伝送される最初の光が純粋な 参照シグナルとなり、その後、前記センサファイバ１２および参照ファイバ１３ を通過するシグナルが、繰り返し発生することを特徴とする請求項５に記載の方 法。
7. （７）前記各センサ１２、１３が、平行に接続された２本の光ファイバからなっ ていることを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. （８）前記検出器１４が前記各センサ１２、１３の後方に配置され、前記検出器 １４から、２つの偏光方向における光が、光ファイバ１１を通じて共通のシグナ ル処理装置９、９°へ伝送され、その後、いくつかのセンサを有するシステムを 通じて、デマルチプレクサ１５へ伝送されることを特徴とする請求項４〜請求項 ７のいずれか１項に記載の方法。
9. （９）前記センサ１２、１３からの光が、１本の光ファイバ１１を通じて共通の 検出器１４およびシグナル処理装置９、９°へ伝送され、その後、いくつかのセ ンサを有するシステムを通じてデマルチプレクサ１５へ伝送されることを特徴と する請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の方法。
10. （１０）光ファイバの前記センサ１２、１３を構成する部分が、光が多モードで 伝送されるように選択され、一方、前記光ファイバの他の部分１０、１１が、光 が単一のモードで伝送されるように選択されることを特徴とする請求項１〜請求 項９のいずれか１項に記載の方法。